Die Spannungs- oder Potenzialdifferenz ist eine physikalische Größe, die den Unterschied der elektrischen Spannung zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis angibt. Sie stimmt mit der elektrischen Spannung überein und gibt die Energie oder Arbeit an, die erforderlich ist, um elektrische Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen zu trennen.
Es ist die Differenz zwischen der potentiellen elektrischen Energie, die eine Ladung an den beiden Punkten aufgrund des Vorhandenseins eines elektrischen Feldes hat, geteilt durch den Wert der Ladung selbst. Unter stationären Bedingungen ist es gleich der Arbeit, die verrichtet wird, um eine Einheitsladung durch das Feld von einem Punkt zum anderen zu bewegen, mit geändertem Vorzeichen.
Wenn wir zwei Punkte mit einem Potentialunterschied durch ein leitfähiges Material verbinden, kommt es zu einem Elektronenfluss durch den geschlossenen Stromkreis, den wir geschaffen haben. Ein Teil der Ladung wandert vom Punkt des höchsten Potentials zum Punkt des niedrigsten Potentials (elektrischer Strom).
Die Definition der elektrischen Spannung und der Maßeinheit Volt geht auf Alessandro Volta zurück, der zusammen mit den Begriffen "elektrische Kapazität" und "elektrische Ladung" erstmals den Begriff "elektrische Spannung" verwendet, um die intensiven und umfangreichen Eigenschaften der Elektrizität.
Was ist die Maßeinheit für Spannung?
Die Spannung wird in Volt (V) nach dem internationalen Einheitensystem gemessen. Das elektronische Gerät zur Messung der Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten ist das Voltmeter.
Spannungskonzept am Beispiel: hydraulische Analogie
Der Begriff der Spannung lässt sich durch eine Analogie zu einem hydraulischen Kreislauf erklären. Der Spannungsunterschied kann mit dem Druckunterschied zusammenhängen, der in einem geschlossenen, mit Flüssigkeit gefüllten Rohr mit unterschiedlich hohen Enden erzeugt wird. Die Spannung zwischen zwei Punkten des Stromkreises entspricht der Druckdifferenz zwischen zwei Punkten des Hydraulikkreislaufs.
Die Potentialdifferenz zwischen den Polen des Stromgenerators kann als Druckdifferenz der Tanks des analogen Hydraulikkreises angesehen werden. Das Äquivalent der Dissipation elektrischer Energie wäre eine Folge der Reibung der Flüssigkeit mit den Innenwänden des Rohres. Schließlich kann die Stärke des im Leiter fließenden elektrischen Stroms in Analogie zum Flüssigkeitsdurchfluss im Rohr gesetzt werden.
In dieser Analogie kann der Wasserfluss von einem Punkt mit hohem Druck zu einem Punkt mit niedrigem Druck fließen. Ebenso bilden Ladungen, die sich zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichen Potentialen bewegen, einen elektrischen Strom.
Spannung in einem statischen elektrischen Feld
Die elektrische Spannung über einem Pfad ist definiert als die Menge an Arbeit pro Ladungseinheit, die durch das elektrische Feld entwickelt wird, um eine elektrische Ladung zu bewegen.
Da das Feld unter stationären Bedingungen konservativ ist, lässt es Potential zu und daher hängt das Linienintegral des elektrischen Feldes nur von den Extremen der Integration ab. In diesem Fall ist die Spannung gleich der Potentialdifferenz.
Durch ein variables Magnetfeld induzierte elektromotorische Kraft
In einer Spule, die eine von einem magnetischen Fluss durchquerte Fläche umschließt, wird eine elektromotorische Kraft proportional zur zeitlichen Änderungsrate des Flusses erzeugt.
Eine Potentialdifferenz wird auch zwischen den Enden eines elektrischen Leiters erzeugt, der sich senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt.
Wenn wir ein leitfähiges Material einem variablen elektromagnetischen Feld aussetzen, wird eine elektrische Spannung erzeugt, die als induzierte Spannung bezeichnet wird.
Ohm'sches Gesetz
Dem Verhalten von Schaltungen mit rein ohmscher Last liegt das Ohmsche Gesetz zugrunde. Es besagt, dass die an einen Widerstand angelegte Spannung proportional zur Intensität und zum Widerstand ist:
V = IR
Der elektrische Strom, der durch ein ohmsches Bauteil (R) fließt, erzeugt eine Verlustleistung, deren Wert sich aus dem Produkt der Intensität (I) und der Potentialdifferenz (V) ergibt:
P = VI
Dieses Phänomen wird Joule-Effekt genannt.
Wie werden die verschiedenen Spannungsarten klassifiziert?
Die Klassifizierung der elektrischen Spannung unterscheidet sich je nach Bereich, auf den sie sich bezieht und der Art des Wechselstroms oder Gleichstroms.
Insbesondere gemäß den Bestimmungen der Norm CEI-EN 50110-1 „Betrieb elektrischer Anlagen“ wird die elektrische Spannung wie in der folgenden Tabelle angegeben klassifiziert:
|
Abkürzung |
Kategorie |
Im Wechselstrom |
Im Gleichstrom |
|
|
Sehr niedrige Spannung |
BBT |
0 |
≤ 50 V |
≤ 120 V (in gewelltem Gleichstrom) |
|
Niederspannung |
BT |
ich |
50-1.000 V |
120-1.500 V |
|
Mittelspannung |
MT |
II |
1-30 kV |
1,5-30 kV |
|
Hochspannung |
BEI |
III |
> 30 kV |
> 30 kV |
In einigen Ländern wird Hochspannung in die erste, zweite und dritte Kategorie oder Sonderkategorie Spannung unterteilt.
